復合添加劑對苧麻稈無膠碎料板性能的影響

張 銳，徐劍瑩 ，牛 琦

復合添加劑對苧麻稈無膠碎料板性能的影響

張 銳，徐劍瑩 ，牛 琦

(中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004)

以苧麻稈芯為原料，采用加入復合型添加劑的方法，按2種添加劑A∶B=1∶3的比例研制無膠碎料板，探討熱壓溫度、熱壓時間、添加劑用量、板坯的含水率對苧麻稈無膠碎料板的物理力學性能的影響并得出較優(yōu)工藝參數(shù)，在此基礎上探討了密度變化對苧麻稈無膠碎料板的物理力學性能的影響，并與未使用添加劑的對照試驗壓制出的板材進行物理力學性能的比較。結果表明：在試驗范圍內(nèi)， 提高熱壓溫度和添加劑的用量以及延長熱壓時間，對苧麻稈無膠碎料板的各物理力學性能都有所改善；在較優(yōu)工藝參數(shù)的條件下，隨著板密度增大，無膠碎料板的靜曲強度、彈性模量與內(nèi)結合強度明顯提高；使用添加劑生產(chǎn)苧麻稈無膠碎料板能顯著改善板材的各項物理力學性能。

苧麻稈；無膠碎料板；復合型添加劑；物理力學性能

苧麻是蕁麻科多年生宿根性植物，屬于半灌木，高1～2 m，一般每年收獲3次，生長周期為50～90 d[1]。苧麻稈表皮可加工制作成紡織用苧麻纖維，是一種優(yōu)良的紡織原料；苧麻稈芯通常被視為農(nóng)業(yè)加工剩余物，研究表明苧麻稈芯通過合理利用，可以替代木材用于制造人造板、造紙等多種用途[2]，對緩解木材資源緊張具有重要的現(xiàn)實意義。我國的苧麻產(chǎn)量占全世界苧麻產(chǎn)量的90%以上，苧麻在國際上被稱為“中國草”。原料種植主要集中在湖南、湖北、四川、安徽、江西等5個省份。5省的苧麻種植面積占全國種植總量的98.15%[3]。種植地原料的高度集中為苧麻稈用于工業(yè)化生產(chǎn)帶來了可能。

無膠膠合是一種不用外加膠黏劑實現(xiàn)木質(zhì)材料膠接和生產(chǎn)人造板的新技術。它依靠材料本身含有的化學成分在特定工藝條件下實現(xiàn)“自粘接”而粘合成板，或通過活化劑、催化劑等對原材料基本單元的化學作用所產(chǎn)生的粘合物使原料基本單元粘合而成板。無膠膠合工藝具有無游離甲醛釋放的優(yōu)點，一直都受到研究人員的極大關注。常用的木質(zhì)材料無膠膠合方法有氧化結合法、自由基引發(fā)法、酸催化縮聚法、堿溶液活化法、天然物質(zhì)轉(zhuǎn)化法、酶活化法等。雖然這些方法在一定條件下都能使木質(zhì)材料無膠膠合，但其無膠膠合機理都不相同。任何方法的無膠膠合，關鍵問題都是解決人造板基本單元的界面活化和膠黏物質(zhì)的形成問題[4]。

苧麻稈本身密度較小，化學成分中半纖維素含量高于普通木材[5]。一般無膠板的制作多選擇半纖維素含量較高的非木材植物纖維原料，在制板過程中，半纖維素發(fā)生降解， 產(chǎn)生水溶性糖與低分子物質(zhì)，可對自膠合產(chǎn)生重要作用。本試驗選用苧麻稈為原材料，在使用復合型添加劑的條件下進行無膠碎料板制造工藝的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

剝麻后的苧麻稈芯：產(chǎn)地湖南益陽，稈長約1.2 m，直徑為10～15 mm，含水率約為10%，氣干密度0.2 g/cm3。苧麻稈先去髓后截成5～10 cm長的小段，再使用德國帕爾曼PZ-8型環(huán)式刨片機制成碎料，碎料篩分值如下：留于10目篩網(wǎng)的占18.1%，通過10目留于30目的占58.1%，通過30目的占23.8%。

A、B兩種添加劑按A∶B=1∶3的比例溶于水中，A、B為價廉、環(huán)保無毒型添加劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

根據(jù)初步研究的結果，以熱壓溫度、熱壓時間、添加劑用量及板坯的含水率等工藝因素為因子進行正交試驗，確定較優(yōu)工藝參數(shù)。因子水平表見表1，按正交表L9(34)設計試驗(見表2)。在所確定的較優(yōu)工藝參數(shù)條件下驗證實驗結果，然后在較優(yōu)工藝參數(shù)的基礎上討論密度變化對板材性能的影響。

表1 無膠工藝正交試驗因子水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 正交試驗設計Table 2 Orthogonal test design

1.2.2 無膠板的制備

板的尺寸為210 mm×210 mm×6 mm，密度0.8 g/cm3，按試驗設計，將原料稱量后，邊使用噴霧器噴射添加劑溶液邊進行攪拌，然后手工鋪裝成板坯進行預壓。實驗中采用的熱壓力為3～5 MPa，試驗次數(shù)3次。在卸壓過程中采取分段降壓，以避免快速降壓出現(xiàn)的鼓泡、分層現(xiàn)象。制板工藝流程如下：碎料制備→碎料計量→調(diào)濕及噴加添加劑→手工鋪裝→預壓→熱壓→冷卻→試件截取→性能檢測。

1.3 試件的測試

所有的苧麻稈無膠碎料板依照國家標準GB/T 4897-2003《刨花板》要求進行試件的制作，然后進行物理力學性能的測試。測試的主要指標有：靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)、內(nèi)結合強度(IB)、2 h吸水厚度膨脹率(TS)、24 h吸水厚度膨脹率(TS)。

2 結果與分析

正交試驗結果及極差分析分別列于表3與表4，圖1～4為各試驗因素及水平與板材性能關系。

從因子水平與性能關系圖與極差分析可以看出：各因素對靜曲強度、彈性模量及內(nèi)結合強度的影響主次順序是A＞C＞D＞B；對吸水厚度膨脹率的影響主次順序是A＞C＞B＞D。

表3 正交試驗結果Table 3 Test results of mechanical properties

表4 正交試驗極差分析Table 4 Range analysis of orthogonal test

2.1 熱壓溫度對板材性能的影響

實驗結果表明，熱壓溫度對彈性模量、內(nèi)結合強度、吸水厚度膨脹率均有明顯的影響，對靜曲強度有一定的影響。從圖1～4中可以看出，隨著熱壓溫度的提高，靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結合強度均呈上升趨勢，但吸水厚度膨脹率則下降。一定的溫度使添加劑與苧麻碎料表面的基團發(fā)生化學反應，形成較牢固的結合，同時，溫度能促使部分纖維素、半纖維素分子發(fā)生降解，產(chǎn)生低分子的單糖或糠醛類物質(zhì)，這些物質(zhì)能與木素中的酚類物質(zhì)聚合生成類似于膠粘劑的物質(zhì)，使碎料粘合成板[6]。半纖維素含量是影響板材耐水性能的關鍵因素，半纖維素含量越高，板材耐水性能越差[7]。熱壓溫度提高，可以加速半纖維素水解，水解生成的單體化合物又可參與無膠粘合，對板材的自膠合有利，所以隨著熱壓溫度的提高，板材的靜曲強度和內(nèi)結合強度增大，吸水厚度膨脹率下降，因此較優(yōu)熱壓溫度定為195 ℃。

圖1 因子水平與靜曲強度的關系Fig. 1 Relationship between MOR and factors

圖2 因子水平與彈性模量的關系Fig. 2 Relationship between MOE and factors

圖3 因子水平與內(nèi)結合強度的關系Fig. 3 Relationship between IB and factors

圖4 因子水平與吸水厚度膨脹率的關系Fig. 4 Relationship between TS and factors

2.2 熱壓時間對板材性能的影響

熱壓時間對板材的吸水厚度膨脹率有較明顯的影響，對靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結合強度有一定的影響。在熱壓時間5～7 min范圍內(nèi)，板的彈性模量、內(nèi)結合強度都達到了GB/T 4897-2003在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用板的要求。由于延長熱壓時間，使得材料本身的纖維素、半纖維素得以充分降解，材料之間的反應更加充分，因此板材的各物理力學性能都有所改善。較優(yōu)熱壓時間參數(shù)定為7 min。

2.3 添加劑對板材性能的影響

隨著添加劑用量的增加，靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結合強度均呈上升趨勢，而吸水厚度膨脹率則逐步下降。在試驗范圍內(nèi)，彈性模量、內(nèi)結合強度均達到GB/T 4897-2003在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用板的要求。添加劑起到兩方面的作用，一方面添加劑自身起到一種膠粘作用，另一方面在添加劑作用下，木質(zhì)材料的化學成分可能發(fā)生部分降解，其降解產(chǎn)物又相互反應，形成新的結合。由于隨著添加劑用量的增加，各項物理力學性能都在上升，較優(yōu)添加劑用量參數(shù)定為16%。

2.4 板坯含水率對板材性能的影響

隨著板坯含水率從20%提高到30%，板的靜曲強度、彈性模量略有增大，吸水厚度膨脹率也有所下降，但內(nèi)結合強度卻有所降低，這可能是因為板坯含水率過高，在熱壓過程中產(chǎn)生大量的蒸汽，隨著水蒸氣向外移動，添加劑的有效成分被帶到了板的邊緣，影響到添加劑在板內(nèi)的均勻分布，從而影響其施加效果，所以內(nèi)結合強度有所下降。

無膠板生產(chǎn)過程中，由于不施加合成樹脂膠，一定的板坯含水率有助于碎料間的自膠合，水分一方面促使熱壓時原料化學成分的降解，另一方面有助于碎料的傳熱軟化，增加纖維的塑性，加大碎料間的接觸面積，使碎料在熱壓過程中緊密接觸，為在碎料和碎料之間、碎料與縮合物之間產(chǎn)生更多的氫鍵、化學鍵及范德華力等提供必要條件。但過高的含水率會使板內(nèi)產(chǎn)生過高的蒸汽壓力，在卸壓時容易產(chǎn)生分層，嚴重時產(chǎn)生板面爆裂現(xiàn)象，過多的水分還影響到添加劑在板內(nèi)的均勻分布。所以本試驗中板坯含水率選擇25%。

在本試驗范圍內(nèi)，板的彈性模量、內(nèi)結合強度都達到了GB/T 4897-2003在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用板的要求。

2.5 驗證試驗

根據(jù)以上試驗結果得出的無膠苧麻碎料板的較優(yōu)工藝參數(shù)進行驗證試驗，同時采用較優(yōu)工藝參數(shù)壓制不同密度的無膠板，探討板的密度對板材物理力學性能的影響，并與同等條件下不施加添加劑壓制出的板材(對照試驗)進行物理力學性能比較。試驗結果見表5。

表5 板的密度與性能之間的關系Table 5 Relationship between board density and properties

結果表明，密度為0.8 g/cm3無膠苧麻碎料板的彈性模量、內(nèi)結合強度都達到了GB/T 4897.3-2003在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用板的要求，靜曲強度、吸水厚度膨脹率接近其要求(≥15 MPa)(≤8.0%)。從表5可以看出，隨著密度的增加，板材的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結合強度都呈明顯的上升趨勢，吸水厚度膨脹率出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，這是因為吸水厚度膨脹率一方面與碎料間結合強度有關，另一方面與板材回彈有關，隨著密度的增大，碎料間結合緊密，但回彈也大。密度為0.4 g/cm3左右的無膠板有望作為隔音隔熱的絕緣材料。

與未施加添加劑的對照試驗相比，板材的各項物理力學性能均優(yōu)于對照試驗。添加劑對彈性模量、內(nèi)結合強度、吸水厚度膨脹率影響較為明顯，對靜曲強度也有一定的影響。其中靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結合強度分別提高了19%、37%、182%，2 h、24 h吸水厚度膨脹率分別下降了71%和73%。

3 結 論

(1)在普通熱壓條件下，使用復合型添加劑可制作出性能較好的苧麻稈無膠碎料板。

(2)在試驗范圍內(nèi)，提高熱壓溫度和添加劑的用量以及延長熱壓時間，各物理力學性能都有所改善，其中對內(nèi)結合強度有較顯著的影響；在較優(yōu)工藝參數(shù)的條件下，隨著板材密度的增大， 無膠碎料板的靜曲強度、彈性模量與內(nèi)結合強度明顯提高；使用添加劑生產(chǎn)苧麻稈無膠碎料板能明顯改善板材的各項物理力學性能。

(3)較佳的制板工藝參數(shù)為：熱壓溫度195 ℃、熱壓時間7 min、板坯含水率25%、添加劑的用量16%。在此工藝條件下壓制的密度為0.8 g/cm3的苧麻稈無膠碎料板，其MOE、IB 值均超過GB/T 4897.3-2003在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用板的要求，MOR、TS接近該標準要求， 有待于進一步改進。

[1] 百度百科. 苧麻[OL] http://baike.baidu.com/view/24798.htm.2011-11-09.

[2] 郭穎艷,徐劍瑩.麻類植物在人造板生產(chǎn)中的應用[J]. 中國人造板, 2007, 10(4): 31-34, 98.

[3] 呂江南,賀得意,王朝云,等. 全國麻類生產(chǎn)調(diào)查報告[J]. 中國麻業(yè), 2005, 27 (1): 1- 5.

[4] 李 堅,鄭睿賢,金春德.無膠人造板研究與實踐 [M].北京：科學出版社, 2010.

[5] 向仕龍, 蔣遠舟. 非木材植物人造板[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2001.

[6] 金春德. 無膠人造板制造工藝的研究[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學, 2002.

[7] 華毓坤.人造板工藝學[M].北京：中國林業(yè)出版社, 2002.

Effects of additives on properties of binderless particleboard from ramie stalk

ZHANG Rui, XU Jian-ying, NIU Qi
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Binder-less ramie stalk particleboard has been developed by adding the composite additives with the ratio of additives A:B= 1:3. The effects of hot-pressing temperature, hot-pressing time, additives dosage, mat moisture content on the board’s physical and mechanical properties were investigated so that the better technical parameters were obtained. On this basis, the effects of board density change on the board’s physical and mechanical properties were also investigated. The results show that all the physical and mechanical properties were improved with increasing additives amount, hot-pressing temperature and hot-pressing time. Under the condition of optimum technological parameters, the modulus of rupture (MOR) , modulus of elasticity ( MOE) , and internal bond strength (IB) of the binderless particleboard were significantly improved with the increase of board density. Adding additives is an effective method for manufacturing binderless particleboard.

ramie stalk；binderless particleboard；composite additives；physical and mechanical properties

S784；TQ351.01+2

A

1673-923X(2012)01-0117-05

2011-10-14

國家林業(yè)局948項目(2011-4-22)；國家自然科學基金項目( 30771681 )；浙江農(nóng)林大學木材科學與技術重中之重學科開放基金項目；中南林業(yè)科技大學木材科學與技術國家重點學科資助項目

張 銳(1984—)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要研究方向：植物基復合材料

徐劍瑩 (1965—)，女，福建福清人，教授，博士生導師，研究方向：人造板工程與植物基復合材料；

E-mail: xjianying@hotmail.com

[本文編校：謝榮秀]